分级蓄冷式超临界压缩空气储能系统及方法与流程

本发明涉及可再生能源、压缩空气储能、分布式能源等领域，尤其涉及一种分级蓄冷式超临界压缩空气储能系统及方法。

背景技术

压缩空气储能是除抽水蓄能以外唯一成熟的大规模电网储电的物理储能技术，可用于电网削峰填谷以及太阳能和风能等可再生能源稳定输出等领域。传统的压缩空气储能利用压缩机将空气压缩进入大型岩洞存储，在释能阶段利用化石燃料燃烧再热从而膨胀做功，适合大型系统、成本低、寿命长，但是其建设地点受限，且依赖于化石能源燃烧造成污染。蓄热式压缩空气储能回收压缩过程产生的压缩热并在释能过程中用于透平级间再热，属于一种斯特林循环，具有效率高，对环境友好，然而其推广仍然受限于储气岩洞地形条件。大规模耐高压容器管道被用于替代大型储气岩洞，摆脱了地形条件的限制，适合于大范围推广，但是采用金属压力容器储存高压空气成本昂贵，且随着储能时间的增大容器成本所占比重越来越大，影响压缩空气储能系统成本回收和大规模推广应用。

液化空气储能系统(laes)内做功工质以液态常压或低压存储，不仅大大提高了储能密度，同时也大幅降低系统建设成本和占地面积。早期液态空气技术释能过程仍然依靠化石燃料燃烧，系统中无储冷设计，依赖于外部液态空气输入，主要是与传统空分系统结合，未考虑释能阶段冷能的回收，虽然技术成熟度较高，但是系统实际电效率很低。一些文献公开了新型液态空气储能技术，相对于之前的技术，不包含任何燃烧过程，只有空气为工质，增加了储热和储冷技术回收液态空气蒸发时的冷能用于空气液化流程，提高了系统效率。一些文献公开了一种回收并储存冷能的超临界压缩空气储能系统，结合了空气超临界液化循环、储能系统和朗肯循环，储能阶段压缩机出口超临界空气吸收冷能降温并等焓节流/等熵膨胀，低压液化空气储存在低温绝热储罐内，释能阶段经低温泵升压后的液态空气吸收热量并回收冷能后气化并经再热器再热后进入透平做功。还具有建设地点不受限制和零污染排放等优点。此外由于透平进口的压力和流量可以保持稳定，解决了绝热式压缩空气储能系统储气装置与透平进口之间的压力调节以及压缩机出口变压力运行等缺点，可以保持动力机械在高效点稳定运行。

以上研究中虽然将冷能回收用于液化流程，但是冷能利用率仍不足，且储释过程冷量并不闭合，后续的研究中在液化流程中均考虑了采用优化的克劳德吸收更多冷能并实现系统冷能的自补偿。一些文献公开了丙烷与甲醇双流体蓄冷的循环，并与核电站的集成使核电站维持接近满负荷运行同时满足应变需求，液态工质同时作为传热和储冷工质减少了冷能的不可逆损失，然而甲醇和丙烷均为易燃易爆有毒的危化品，与空气液化过程中存在富氧区域接触容易发生爆炸，其大规模长期储存从安全性、经济性和维护成本上难以想象。

综上，当前的研究中，对于液化过程中冷能利用的研究已经非常充分，但是对于蒸发冷箱内高温液态空气冷能的回收则明显不足，现有发明仍不满足于大规模、低成本和安全可靠储能的需求，仍需要进一步优化。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种分级蓄冷子系统和超临界压缩空气储能系统，用以解决冷能回收不足的问题，以及不满足大规模、低成本和安全可靠储能的需求。

(二)技术方案

本发明的一方面提供一种分级蓄冷式超临界压缩空气储能系统，包括用于将输入的气态空气转化为液态空气的超临界液化子系统和用于将液态空气转化为气态空气的蒸发膨胀子系统，其中，该分级蓄冷式超临界压缩空气储能系统还包括：

分级蓄冷子系统，用于在气态空气与液态空气转化时储存和/或释放冷能。

其中，所述分级蓄冷子系统包括至少一液化冷箱、至少一深冷蓄冷循环和至少一中冷蓄冷循环；

所述深冷蓄冷循环与液化冷箱连接，释放深冷温度到常温的冷能；

所述中冷蓄冷循环与液化冷箱连接，释放深冷温度到中冷温度的冷能。

其中，每一所述液化冷箱包括至少一深冷循环内部流道、至少一中冷循环内部流道、至少一超临界流道、至少一冷能补偿流道和至少一冷能回收流道；

每一所述深冷蓄冷循环包括至少一深冷储罐、至少一深冷循环风机以及至少一深冷循环外部流道，每一深冷循环外部流道连接至少一深冷储罐、至少一深冷循环风机，并与所述液化冷箱中的一深冷循环内部流道连接构成完整循环流道；

每一所述中冷蓄冷循环包括至少一中冷储罐、至少一中冷循环风机以及至少一中冷循环外部流道，每一中冷循环外部流道连接至少一中冷储罐、至少一中冷循环风机，并与所述液化冷箱中的一中冷循环内部流道连接构成完整循环流道。

其中，所述分级蓄冷子系统还包括至少一蒸发冷箱，蒸发冷箱与液化冷箱共用至少一深冷蓄冷循环和至少一中冷蓄冷循环；

所述深冷蓄冷循环与蒸发冷箱连接，储存深冷温度到常温的冷能；

所述中冷蓄冷循环与蒸发冷箱连接，储存深冷温度到中冷温度的冷能。

其中，所述蒸发冷箱包括至少一深冷循环内部流道、至少一中冷循环内部流道和至少一超临界流道；

深冷蓄冷循环中的每一深冷循环外部流道连接至少一深冷储罐、至少一深冷循环风机，并与所述蒸发冷箱中的一深冷循环内部流道连接构成完整循环流道；

中冷蓄冷循环中的每一中冷循环外部流道连接至少一中冷储罐、至少一中冷循环风机，并与所述蒸发冷箱中的一中冷循环内部流道连接构成完整循环流道。

其中，所述液化冷箱和蒸发冷箱均包括换热器组、保冷材料和密闭外壳；

所述换热器组为至少一板翅式换热器、或至少一板式换热器、或至少一绕管式换热器。

所述保冷材料为玻璃纤维毡、珠光砂、岩棉、真空板中的一种或多种混合。

其中，所述分级蓄冷子系统包括至少一冷箱、至少一深冷蓄冷循环和至少一中冷蓄冷循环；

冷箱用于做为液化冷箱或蒸发冷箱；

深冷蓄冷循环，连接于冷箱，在冷箱做为液化冷箱时释放深冷温度到常温的冷能，在冷箱作为蒸发冷箱时储存深冷温度到常温的冷能；

中冷蓄冷循环，连接于冷箱，在冷箱做为液化冷箱时释放深冷温度到中冷温度的冷能，在冷箱作为蒸发冷箱时储存深冷温度到中冷温度的冷能。

其中，每一所述冷箱包括至少一深冷循环内部流道、至少一中冷循环内部流道、至少一超临界流道；

每一所述深冷蓄冷循环包括至少一深冷储罐、至少一深冷循环风机以及至少一深冷循环外部流道，每一深冷循环外部流道连接至少一深冷储罐、至少一深冷循环风机，并与所述冷箱中的一深冷循环内部流道连接构成完整循环流道；

每一所述中冷蓄冷循环包括至少一中冷储罐、至少一中冷循环风机以及至少一中冷循环外部流道，每一中冷循环外部流道连接至少一中冷储罐、至少一中冷循环风机，并与所述冷箱中的一中冷循环内部流道连接构成完整循环流道。

其中，所述中冷蓄冷循环的数量大于1时，各中冷蓄冷循环中储存不同中冷温度间的冷能。

其中，所述至少一中冷储罐为两个中冷储罐时，两个中冷储罐串联或并联；

两个中冷储罐串联时，其中一个中冷储罐分为深冷侧和常温侧，其内储存深冷到常温的冷能；另一个中冷储罐分为中冷侧和常温侧，其内储存中冷到常温的冷能，中冷循环风机串联于两个中冷储罐常温侧之间；

两个中冷储罐并联时，两个中冷储罐内均储存深冷到中冷的冷能。

其中，所述深冷储罐和中冷储罐均为固定式填充床结构，且固定式填充床结构内部填充耐低温蓄冷材料，循环工质在填充的耐低温蓄冷材料间隙流动并交换冷量；

其中，所述循环工质为空气、氮气、氩气、氦气中的一种或多种混合物；所述耐低温蓄冷材料为陶瓷、石子、氧化铝、金属、封装的相变颗粒、化学反应颗粒中的一种或多种混合物。

其中，所述深冷循环风机和中冷循环风机均为双向循环风机，风机流道密封，风量可调。

其中深冷温度不超过低温绝热储罐内低温液体温度30k，中冷温度在深冷温度与常温之间。

其中，所述超临界液化子系统包括电动机、至少一多级压缩机、干燥净化装置、比例调节装置、液体膨胀机、气液分离器和低温绝热储罐；

电动机与多级压缩机轴连接，多级压缩机之间的连接包括两路，一路为轴连接，一路为气路连接，干燥净化装置设置于多级压缩机气路上，用于降低空气中的水蒸气、二氧化碳、烷烃类成分含量；

电动机驱动多级压缩机对输入的气态空气多级压缩形成超临界空气，多级压缩机出口的超临界空气进入比例调节装置分流，分流后的一路超临界空气进入分级蓄冷子系统液化冷箱的超临界流道后，再经过液体膨胀机膨胀、气液分离器分离形成液态空气，液态空气经气液分离器的液侧出口进入低温绝热储罐。

其中，超临界液化子系统的比例调节装置内部设置流量调节机构，用于调节其分流的两个回路中超临界空气的流量比例。

其中，所述蒸发膨胀子系统包括至少一个的低温泵、多级膨胀机和发电机，低温绝热储罐输出的液态空气经低温泵、分级蓄冷子系统蒸发冷箱的超临界流道后蒸发形成超临界空气，蒸发形成的超临界空气进入多级膨胀机做功并驱动发电机发电，发电机与多级膨胀机轴连接；多级膨胀机的连接包括两路，一路为轴连接，一路为气路。

其中，所述蒸发膨胀子系统还包括预热器，所述预热器置于超临界空气进入多级膨胀机之前的位置，并且多级膨胀机出口的尾气进入预热器形成一气路回路；用于回收多级膨胀机出口较高温度热能。

其中，所述蒸发膨胀子系统的预热器，为板翅式、板式、壳管式、螺旋板式换热器中的一种或多种组合。

其中，该压缩空气储能系统还包括储热换热子系统，储热换热子系统包括至少一储热罐、至少一常温罐、至少两个回热器、至少两个再热器，各回热器之间相互独立，各再热器之间相互独立，

常温罐出口与各回热器的一端相连，每个回热器的另一端与储热罐进口连接；

储热罐出口与各再热器的一端相连，每个回热器的另一端与常温罐进口连接；

至少一回热器同时连接于超临界液化子系统的多级压缩机之间，并且至少一回热器同时连接于超临界液化子系统的多级压缩机与比例调节装置之间；

至少一再热器同时连接于蒸发形成的超临界空气进入多级膨胀机之前，并且至少一回热器同时连接于蒸发膨胀子系统气路的多级膨胀机之间。

其中，所述储热换热子系统还包括余热利用装置，余热利用装置位于再热器出口与常温罐进口之间，用于回收再热器出口蓄热工质的余热。

其中，储热换热子系统的余热利用装置，为供热换热器或制冷机组或两种的组合。

其中，该压缩空气储能系统还包括冷能补偿子系统，冷能补偿子系统包括低温膨胀机组和混合器，超临界液化子系统比例调节装置分流后的另一路超临界空气进入分级蓄冷子系统液化冷箱的冷能补偿流道降温后进入低温膨胀机组膨胀进一步降温，并与气液分离器气侧出口的低温空气在混合器内混合后，经分级蓄冷子系统液化冷箱的冷能回收流道回收冷能，并返回多级压缩机进口或返回多级压缩机各级压缩机之间的气路。

其中，所述冷箱，与冷能补偿子系统连接时，还包括至少一冷能补偿流道和至少一冷能回收流道；超临界液化子系统比例调节装置分流后的另一路超临界空气进入分级蓄冷子系统冷箱的冷能补偿流道降温后进入低温膨胀机组膨胀进一步降温，并与气液分离器气侧出口的低温空气在混合器内混合后，经分级蓄冷子系统冷箱的冷能回收流道回收冷能，并返回多级压缩机进口或返回多级压缩机各级压缩机之间的气路。

本发明的另一方面提供一种分级蓄冷式超临界压缩空气储能方法，应用于所述的分级蓄冷式超临界压缩空气储能系统，包括：

超临界液化子系统将输入的气态空气转化为液态空气；

蒸发膨胀子系统将液态空气转化为气态空气；以及

分级蓄冷子系统在气态空气与液态空气转化时储存和/或释放冷能。

其中，所述超临界液化子系统将输入的气态空气转化为液态空气，具体为：

电动机驱动多级压缩机对输入的空气多级压缩形成超临界空气，多级压缩机出口的超临界空气进入比例调节装置分流，分流后的一路超临界空气进入分级蓄冷子系统液化冷箱的超临界流道后，再经过液体膨胀机膨胀、气液分离器分离形成液态空气，液态空气经气液分离器的液侧出口进入低温绝热储罐。

其中，所述蒸发膨胀子系统将液态空气转化为气态空气，具体为：

低温绝热储罐输出的液态空气经低温泵、分级蓄冷子系统蒸发冷箱的超临界流道后蒸发形成超临界空气，蒸发形成的超临界空气进入多级膨胀机做功并驱动发电机发电。

其中，分级蓄冷子系统在气态空气与液态空气转化时储存和/或释放冷能，具体为：

循环风机驱动循环工质将深冷储罐和中冷储罐内的冷能分别输入液化冷箱的深冷循环内部流道和中冷循环内部流道，为超临界流道内超临界空气液化提供冷能；以及

循环风机驱动循环工质将深冷储罐和中冷储罐内的冷能分别输入蒸发冷箱的深冷循环内部流道和中冷循环内部流道，为超临界流道内超临界空气蒸发提供热能，储存冷能。

其中，还包括储热换热子系统将升温后的蓄热工质储存在储热罐以及将降温后的蓄热工质返回常温罐。

其中，所述储热换热子系统将升温后的蓄热工质储存在储热罐以及将降温后的蓄热工质返回常温罐，具体为：

将在各级回热器内吸收压缩热升温后的蓄热工质储存在储热罐内；以及

各级再热器液侧出口的蓄热工质通过余热利用装置进一步吸收蓄热工质热能并输出常温附近的冷能，将降温后的蓄热工质返回常温罐内。

其中，还包括冷能补偿子系统自主补偿冷能。

其中，冷能补偿子系统自主补偿冷能，具体为：分级蓄冷子系统包括至少一液化冷箱和至少一蒸发冷箱时，超临界液化子系统比例调节装置分流后的另一路超临界空气进入分级蓄冷子系统液化冷箱的冷能补偿流道降温后进入低温膨胀机组膨胀进一步降温，并与气液分离器气侧出口的低温空气在混合器内混合后，经分级蓄冷子系统液化冷箱的冷能回收流道回收冷能，并返回多级压缩机进口或返回多级压缩机各级压缩机之间的气路；或

分级蓄冷子系统包括至少一同时用于液化和蒸发的冷箱时，冷箱与冷能补偿子系统连接，还包括至少一冷能补偿流道和至少一冷能回收流道；超临界液化子系统比例调节装置分流后的另一路超临界空气进入分级蓄冷子系统冷箱的冷能补偿流道降温后进入低温膨胀机组膨胀进一步降温，并与气液分离器气侧出口的低温空气在混合器内混合后，经分级蓄冷子系统冷箱的冷能回收流道回收冷能，返回多级压缩机进口或返回多级压缩机各级压缩机之间的气路。

本发明的另一方面还提供一种分级蓄冷子系统，其中，该分级蓄冷子系统包括至少一液化冷箱、至少一深冷蓄冷循环和至少一中冷蓄冷循环；

所述深冷蓄冷循环与液化冷箱连接，释放深冷温度到常温的冷能；

所述中冷蓄冷循环与液化冷箱连接，释放深冷温度到中冷温度的冷能。

其中，所述液化冷箱包括至少一深冷循环内部流道、至少一中冷循环内部流道、至少一超临界流道、至少一冷能补偿流道和至少一冷能回收流道；

所述至少一深冷蓄冷循环，每一深冷蓄冷循环包括至少一深冷储罐、至少一深冷循环风机以及至少一深冷循环外部流道，每一深冷循环外部流道连接至少一深冷储罐、至少一深冷循环风机，并与所述液化冷箱中的一深冷循环内部流道连接构成完整循环流道；

所述至少一中冷蓄冷循环，每个中冷蓄冷循环包括至少一中冷储罐、至少一中冷循环风机以及至少一中冷循环外部流道，每个中冷循环流道连接至少一中冷储罐、至少一中冷循环风机，并与所述液化冷箱中的一中冷循环内部流道连接构成完整循环流道。

其中，所述分级蓄冷子系统还包括至少一蒸发冷箱，蒸发冷箱与液化冷箱共用至少一深冷蓄冷循环和至少一中冷蓄冷循环；所述深冷蓄冷循环与蒸发冷箱连接，储存深冷温度到常温的冷能；所述中冷蓄冷循环与蒸发冷箱连接，储存深冷温度到中冷温度的冷能。

其中，所述蒸发冷箱包括至少一深冷循环内部流道、至少一中冷循环内部流道、至少一超临界流道；每一深冷循环外部流道连接至少一深冷储罐、至少一深冷循环风机，并与所述蒸发冷箱中的一深冷循环内部流道连接构成完整循环流道；每一中冷循环流道连接至少一中冷储罐、至少一中冷循环风机，并与所述蒸发冷箱中的一中冷循环内部流道连接构成完整循环流道。

本发明的再一方面还提供一种分级蓄冷子系统，包括一冷箱、至少一深冷蓄冷循环和至少一中冷蓄冷循环，其中：

冷箱用于做为液化冷箱或蒸发冷箱；

深冷蓄冷循环，连接于冷箱，在冷箱做为液化冷箱时释放深冷温度到常温的冷能，在冷箱作为蒸发冷箱时储存深冷温度到常温的冷能；

中冷蓄冷循环，连接于冷箱，在冷箱做为液化冷箱时释放深冷温度到中冷温度的冷能，在冷箱作为蒸发冷箱时储存深冷温度到中冷温度的冷能。

其中：

所述冷箱包括至少一深冷循环内部流道、至少一中冷循环内部流道、至少一超临界流道；

每一所述深冷蓄冷循环包括至少一深冷储罐、至少一深冷循环风机以及至少一深冷循环外部流道，每一深冷循环外部流道连接至少一深冷储罐、至少一深冷循环风机，并与所述冷箱中的一深冷循环内部流道连接构成完整循环流道；

每一所述中冷蓄冷循环包括至少一中冷储罐、至少一中冷循环风机以及至少一中冷循环外部流道，每一中冷循环外部流道连接至少一中冷储罐、至少一中冷循环风机，并与所述冷箱中的一中冷循环内部流道连接构成完整循环流道。

其中，所述中冷蓄冷循环的数量大于1时，各中冷蓄冷循环中储存不同中冷温度间的冷能。

其中，所述至少一中冷储罐为两个中冷储罐时，两个中冷储罐串联或并联；

两个中冷储罐串联时，其中一个中冷储罐分为深冷侧和常温侧，其内储存深冷到常温的冷能；另一个中冷储罐分为中冷侧和常温侧，其内储存中冷到常温的冷能，中冷循环风机串联于两个中冷储罐常温侧之间；

两个中冷储罐并联时，两个中冷储罐内均储存深冷到中冷的冷能。

其中，所述深冷储罐和中冷储罐均为固定式填充床结构，且固定式填充床结构内部填充耐低温蓄冷材料，循环工质在填充的耐低温蓄冷材料间隙流动并交换冷量；

其中，所述循环工质为空气、氮气、氩气、氦气中的一种或多种混合物；所述耐低温蓄冷材料为陶瓷、石子、氧化铝、金属、封装的相变颗粒、化学反应颗粒中的一种或多种混合物。

其中，所述深冷循环风机和中冷循环风机均为双向循环风机，风机流道密封，风量可调。

其中深冷温度不超过低温绝热储罐内低温液体温度30k，中冷温度在深冷温度与常温之间。

其中，所述液化冷箱和蒸发冷箱均包括换热器组、保冷材料和密闭外壳；

所述换热器组为至少一板翅式换热器、或至少一板式换热器、或至少一绕管式换热器。

所述保冷材料为玻璃纤维毡、珠光砂、岩棉、真空板中的一种或多种混合。

(三)有益效果

本发明的分级蓄冷式超临界压缩空气储能系统及方法，具有的积极效果在于：

(1)本发明的分级蓄冷子系统通过增加一个中冷蓄冷循环储存中间温度的冷量，优点是增加了冷能的回收利用效率，解决冷能回收不足的问题，进而提高系统循环效率，同时可以降低压缩机出口压力。

(2)本发明中使用的循环工质为空气、氮气、氩气、氦气中的一种或多种混合物，简单易得且安全可靠，具有成本低、效率高、对环境友好、适合大规模应用等优点。

(3)本发明中还包含冷能补偿系统和储热换热系统，完成储能过程中冷能的自主补偿和压缩热的回收利用，而且可以在无外界冷热源输入下实现高效独立运行，不受地形条件限制。

附图说明

图1为本发明一具体实施例的分级蓄冷式超临界压缩空气储能方法流程图；

图2为本发明一具体实施例的单深冷蓄冷循环和中冷储罐结合的分级蓄冷式超临界压缩空气储能系统示意图；

图3为本发明一具体实施例的中冷储罐为双罐串联结构的分级蓄冷式超临界压缩空气储能系统示意图；

图4为本发明一具体实施例的低温液体储罐较高压力下的分级蓄冷式超临界压缩空气储能系统示意图；

图5为本发明一具体实施例的包含一冷箱的分级蓄冷式超临界压缩空气储能系统示意图。

附图标记

100电动机

101初级压缩机

102干燥净化装置

103末级压缩机

104比例调节装置

105液体膨胀机

106气液分离器

107低温液体储罐

108低温膨胀机组

109混合器

201储热罐

202常温罐

203初级回热器

204末级回热器

205初级再热器

206末级再热器

207余热利用装置

301低温泵

302预热器

303初级膨胀机

304末级膨胀机

305发电机

401401′深冷储罐

402402′中冷储罐

40214021′下中冷储罐

40224022′上中冷储罐

403液化冷箱

4031液化冷箱深冷循环内部流道

4032液化冷箱中冷循环内部流道

4033液化冷箱超临界流道

4034液化冷箱冷能补偿流道

4035液化冷箱冷能回收流道

404蒸发冷箱

4041蒸发冷箱深冷循环内部流道

4042蒸发冷箱中冷循环内部流道

4043蒸发冷箱蒸发流道

405405′深冷循环风机

40514051′深冷循环外部流道

406406′中冷循环风机

40614061′中冷循环外部流道

407液化蒸发两用冷箱

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明的分级蓄冷式超临界压缩空气储能系统，包括超临界液化子系统，用于将输入的气态空气转化为液态空气；蒸发膨胀子系统，用于将液态空气转化为气态空气；分级蓄冷子系统，用于在气态空气与液态空气转化时储存和/或释放冷能。

分级蓄冷子系统包括至少一液化冷箱、至少一深冷蓄冷循环和至少一中冷蓄冷循环；深冷蓄冷循环与液化冷箱连接，释放深冷温度到常温的冷能；中冷蓄冷循环与液化冷箱连接，释放深冷温度到中冷温度的冷能。其中，每一液化冷箱包括至少一深冷循环内部流道、至少一中冷循环内部流道、至少一超临界流道、至少一冷能补偿流道和至少一冷能回收流道；每一深冷蓄冷循环包括至少一深冷储罐、至少一深冷循环风机以及至少一深冷循环外部流道，每一深冷循环外部流道连接至少一深冷储罐、至少一深冷循环风机，并与液化冷箱中的一深冷循环内部流道连接构成完整循环流道；每一中冷蓄冷循环包括至少一中冷储罐、至少一中冷循环风机以及至少一中冷循环外部流道，每一中冷循环外部流道连接至少一中冷储罐、至少一中冷循环风机，并与液化冷箱中的一中冷循环内部流道连接构成完整循环流道。

分级蓄冷子系统还包括至少一蒸发冷箱，蒸发冷箱与液化冷箱共用至少一深冷蓄冷循环和至少一中冷蓄冷循环；深冷蓄冷循环与蒸发冷箱连接，储存深冷温度到常温的冷能；中冷蓄冷循环与蒸发冷箱连接，储存深冷温度到中冷温度的冷能。蒸发冷箱包括至少一深冷循环内部流道、至少一中冷循环内部流道和至少一超临界流道；深冷蓄冷循环中的每一深冷循环外部流道连接至少一深冷储罐、至少一深冷循环风机，并与蒸发冷箱中的一深冷循环内部流道连接构成完整循环流道；中冷蓄冷循环中的每一中冷循环外部流道连接至少一中冷储罐、至少一中冷循环风机，并与蒸发冷箱中的一中冷循环内部流道连接构成完整循环流道。

其中，液化冷箱和蒸发冷箱均包括换热器组、保冷材料和密闭外壳；换热器组为至少一板翅式换热器、或至少一板式换热器、或至少一绕管式换热器。保冷材料为玻璃纤维毡、珠光砂、岩棉、真空板中的一种或多种混合。

在本发明的实施例中，液化冷箱和蒸发冷箱可以共用同一个冷箱，此时冷箱用于做为液化冷箱或蒸发冷箱；至少一深冷蓄冷循环和至少一中冷蓄冷循环；每一冷箱既可用于释放冷能，又可用于储存冷能；每一冷箱包括至少一深冷循环内部流道、至少一中冷循环内部流道、至少一超临界流道。深冷蓄冷循环与冷箱连接，释放和/或储存深冷温度到常温的冷能；每一深冷蓄冷循环包括至少一深冷储罐、至少一深冷循环风机以及至少一深冷循环外部流道，每一深冷循环外部流道连接至少一深冷储罐、至少一深冷循环风机，并与冷箱中的一深冷循环内部流道连接构成完整循环流道。中冷蓄冷循环与冷箱连接，释放和/或储存深冷温度到中冷温度的冷能；每一中冷蓄冷循环包括至少一中冷储罐、至少一中冷循环风机以及至少一中冷循环外部流道，每一中冷循环外部流道连接至少一中冷储罐、至少一中冷循环风机，并与冷箱中的一中冷循环内部流道连接构成完整循环流道。

中冷蓄冷循环的数量大于1时，各中冷蓄冷循环中储存不同中冷温度间的冷能。

其中，至少一中冷储罐为两个中冷储罐时，两个中冷储罐串联或并联；两个中冷储罐串联时，其中一中冷储罐分为深冷侧和常温侧，其内储存深冷到常温的冷能；另一中冷储罐分为中冷侧和常温侧，其内储存中冷到常温的冷能，中冷循环风机串联于两个中冷储罐常温侧之间；两个中冷储罐并联时，两个中冷储罐内均储存深冷到中冷的冷能。

其中，深冷储罐和中冷储罐均为固定式填充床结构，且固定式填充床结构内部填充耐低温蓄冷材料，循环工质在填充的耐低温蓄冷材料间隙流动并交换冷量；循环工质为空气、氮气、氩气、氦气中的一种或多种混合物；耐低温蓄冷材料为陶瓷、石子、氧化铝、金属、封装的相变颗粒、化学反应颗粒中的一种或多种混合物。

其中，深冷循环风机和中冷循环风机均为双向循环风机，风机流道密封，风量可调。

其中深冷温度不超过低温绝热储罐内低温液体温度30k，中冷温度在深冷温度与常温之间。

超临界液化子系统包括电动机、至少一多级压缩机、干燥净化装置、比例调节装置、液体膨胀机、气液分离器和低温绝热储罐；电动机与多级压缩机轴连接，多级压缩机之间的连接包括两路，一路为轴连接，一路为气路连接，干燥净化装置设置于多级压缩机气路上，用于降低空气中的水蒸气、二氧化碳、烷烃类成分含量；电动机驱动多级压缩机对输入的气态空气多级压缩形成超临界空气，多级压缩机出口的超临界空气进入比例调节装置分流，分流后的一路超临界空气进入分级蓄冷子系统液化冷箱的超临界流道后，再经过液体膨胀机膨胀、气液分离器分离形成液态空气，液态空气经气液分离器的液侧出口进入低温绝热储罐。超临界液化子系统的比例调节装置内部设置流量调节机构，用于调节其分流的两个回路中超临界空气的流量比例。

蒸发膨胀子系统包括至少一个的低温泵、多级膨胀机和发电机，低温绝热储罐输出的液态空气经低温泵、分级蓄冷子系统蒸发冷箱的超临界流道后蒸发形成超临界空气，蒸发形成的超临界空气进入多级膨胀机做功并驱动发电机发电，发电机与多级膨胀机轴连接；多级膨胀机的连接包括两路，一路为轴连接，一路为气路。

蒸发膨胀子系统还包括预热器，预热器置于超临界空气进入多级膨胀机之前的位置，并且多级膨胀机出口的尾气进入预热器形成一气路回路；用于回收多级膨胀机出口较高温度热能。预热器，为板翅式、板式、壳管式、螺旋板式换热器中的一种或多种组合。

该压缩空气储能系统还包括储热换热子系统，储热换热子系统包括至少一储热罐、至少一常温罐、至少两个回热器、至少两个再热器，各回热器之间相互独立，各再热器之间相互独立，常温罐出口与各回热器的一端相连，每个回热器的另一端与储热罐进口连接；储热罐出口与各再热器的一端相连，每个回热器的另一端与常温罐进口连接；至少一回热器同时连接于超临界液化子系统的多级压缩机之间，并且至少一回热器同时连接于超临界液化子系统的多级压缩机与比例调节装置之间；至少一再热器同时连接于蒸发形成的超临界空气进入多级膨胀机之前，并且至少一回热器同时连接于蒸发膨胀子系统气路的多级膨胀机之间。其中，储热换热子系统还包括余热利用装置，余热利用装置位于再热器出口与常温罐进口之间，用于回收再热器出口蓄热工质的余热。储热换热子系统的余热利用装置，为供热换热器或制冷机组或两种的组合。

其中，该压缩空气储能系统还包括冷能补偿子系统，冷能补偿子系统自主补偿冷能，具体为：分级蓄冷子系统包括至少一液化冷箱和至少一蒸发冷箱时，超临界液化子系统比例调节装置分流后的另一路超临界空气进入分级蓄冷子系统液化冷箱的冷能补偿流道降温后进入低温膨胀机组膨胀进一步降温，并与气液分离器气侧出口的低温空气在混合器内混合后，经分级蓄冷子系统液化冷箱的冷能回收流道回收冷能，并返回多级压缩机进口或返回多级压缩机各级压缩机之间的气路；或

分级蓄冷子系统包括至少一同时用于液化和蒸发的冷箱时，冷箱与冷能补偿子系统连接，还包括至少一冷能补偿流道和至少一冷能回收流道；超临界液化子系统比例调节装置分流后的另一路超临界空气进入分级蓄冷子系统冷箱的冷能补偿流道降温后进入低温膨胀机组膨胀进一步降温，并与气液分离器气侧出口的低温空气在混合器内混合后，经分级蓄冷子系统冷箱的冷能回收流道回收冷能，返回多级压缩机进口或返回多级压缩机各级压缩机之间的气路。

本发明的分级蓄冷式超临界压缩空气储能方法，应用于分级蓄冷式超临界压缩空气储能系统，如图1所示，为本发明的一具体实施例的分级蓄冷式超临界压缩空气储能方法流程图包括：

s101：超临界液化子系统将输入的气态空气转化为液态空气；具体为：

电动机驱动多级压缩机对输入的空气多级压缩形成超临界空气，多级压缩机出口的超临界空气进入比例调节装置分流，分流后的一路超临界空气进入分级蓄冷子系统液化冷箱的超临界流道后，再经过液体膨胀机膨胀、气液分离器分离形成液态空气，液态空气经气液分离器的液侧出口进入低温绝热储罐。

s102：蒸发膨胀子系统将液态空气转化为气态空气；具体为：低温绝热储罐输出的液态空气经低温泵、分级蓄冷子系统蒸发冷箱的超临界流道后蒸发形成超临界空气，蒸发形成的超临界空气进入多级膨胀机做功并驱动发电机发电。

s103：分级蓄冷子系统在气态空气与液态空气转化时储存和/或释放冷能；具体为：循环风机驱动循环工质将深冷储罐和中冷储罐内的冷能分别输入液化冷箱的深冷循环内部流道和中冷循环内部流道，为超临界流道内超临界空气液化提供冷能；以及

循环风机驱动循环工质将深冷储罐和中冷储罐内的冷能分别输入蒸发冷箱的深冷循环内部流道和中冷循环内部流道，为超临界流道内超临界空气蒸发提供热能，储存冷能。

其中，本发明的分级蓄冷式超临界压缩空气储能方法还包括：

s104：储热换热子系统将升温后的蓄热工质储存在储热罐以及将降温后的蓄热工质返回常温罐；具体为：将在各级回热器内吸收压缩热升温后的蓄热工质储存在储热罐内；以及各级再热器液侧出口的蓄热工质通过余热利用装置进一步吸收蓄热工质热能并输出常温附近的冷能，将降温后的蓄热工质返回常温罐内。

其中，本发明的分级蓄冷式超临界压缩空气储能方法还包括：

s105：冷能补偿子系统自主补偿冷能；具体为：冷能补偿子系统自主补偿冷能，具体为：分级蓄冷子系统包括至少一液化冷箱和至少一蒸发冷箱时，超临界液化子系统比例调节装置分流后的另一路超临界空气进入分级蓄冷子系统液化冷箱的冷能补偿流道降温后进入低温膨胀机组膨胀进一步降温，并与气液分离器气侧出口的低温空气在混合器内混合后，经分级蓄冷子系统液化冷箱的冷能回收流道回收冷能，并返回多级压缩机进口或返回多级压缩机各级压缩机之间的气路；或

分级蓄冷子系统包括至少一同时用于液化和蒸发的冷箱时，冷箱与冷能补偿子系统连接，还包括至少一冷能补偿流道和至少一冷能回收流道；超临界液化子系统比例调节装置分流后的另一路超临界空气进入分级蓄冷子系统冷箱的冷能补偿流道降温后进入低温膨胀机组膨胀进一步降温，并与气液分离器气侧出口的低温空气在混合器内混合后，经分级蓄冷子系统冷箱的冷能回收流道回收冷能，返回多级压缩机进口或返回多级压缩机各级压缩机之间的气路。

实施例1

图2为本发明一具体实施例的单深冷蓄冷循环和中冷储罐结合的分级蓄冷式超临界压缩空气储能系统示意图。

此实施例中，工质为导热油，压缩机为二级压缩，膨胀机为二级膨胀，采用单个储热罐、单个常温罐、单个低温液体储罐、单个分级蓄冷子系统；其中，分级蓄冷子系统包括单个深冷储罐、单个中冷储罐、单个液化冷箱，单个蒸发冷箱，余热利用装置为吸收式制冷机组，低温膨胀机为二级膨胀，低温液体储罐内压力接近常压。本实施例的液化冷箱的冷能回收流道4035回流的气体返回初级压缩机101的进口

使用流程为：

1.在储能开始阶段，电动机100驱动初级压缩机101将常压空气和冷能回收流道4035出口回流空气压缩，压缩空气经级间回热器203交换热量后输入干燥净化装置102降低水蒸气、二氧化碳、烷烃类成分含量，干燥净化的压缩空气在末级压缩机103内进一步压缩并换热后以超临界状态输入比例调节装置104。在各级回热器203和204内吸收压缩热升温后的蓄热工质储存在储热罐201内。

2.循环风机405和406驱动循环工质将深冷储罐401和中冷储罐402内的冷能分别输入液化冷箱403的深冷循环内部流道4031和中冷循环内部流道4032，为超临界流道4033内超临界空气液化提供冷量。深冷循环外部流道4051连接深冷储罐401、深冷循环风机405，并与液化冷箱403中的深冷循环内部流道4032连接构成完整循环流道；中冷循环外部流道4061连接中冷储罐402、中冷循环风机406，并与液化冷箱403中的中冷循环内部流道4031连接构成完整循环流道。

3.超临界空气通过比例调节装置104分流后以一定流量比例输出，大部分进入液化冷箱的超临界流道4033吸收冷能降温后液化为高压流体，另外一部分超临界空气进入液化冷箱的冷能补偿流道4034，吸收部分冷能降温后经低温膨胀机组108进一步膨胀降温为接近常压的低温气体，为整个系统补偿低温冷能。

4.超临界空气液化后经液体膨胀机105膨胀为接近常压的气液混合流体并进入气液分离器106，分离后的低温气体与冷能补偿回路4034出口膨胀降温后的低温气体在混合器109内混合，混合后的接近常压低温气体输入液化冷箱补冷流道4035以回收冷能并补偿冷能的不足。气液分离器106内分离的液态空气收集并储存在低温绝热储罐107内，完成能量的存储。

5.释能阶段，液态空气经低温泵301提高压力后输入蒸发冷箱404，深冷储罐401′和中冷储罐402′内的循环工质通过循环风机405′和406′驱动分别输入蒸发冷箱的深冷循环内部流道4041和中冷循环内部流道4042，循环工质在蒸发冷箱内吸收蒸发流道4043内液态空气蒸发释放的冷量后分别进入深冷储罐401′和中冷储罐402′内，完成冷能的回收和存储。蒸发冷箱404与液化冷箱403共用深冷蓄冷循环和中冷蓄冷循环；其中，深冷储罐401和深冷储罐401′实为同一深冷储罐，中冷储罐402和中冷储罐402′实为同一中冷储罐；深冷循环风机405和深冷循环风机405′实为同一深冷循环风机；中冷循环风机406和中冷循环风机406′实为同一中冷循环风机；深冷循环外部流道4051和深冷循环外部流道4051′实为同一深冷循环外部流道；中冷循环外部流道4061和中冷循环外部流道4061′实为同一中冷循环外部流道。蒸发冷箱包括深冷循环内部流道4041、中冷循环内部流道4042和超临界流道4043；深冷蓄冷循环中的深冷循环外部流道4051′连接深冷储罐401′、深冷循环风机405′，并与蒸发冷箱404中的深冷循环内部流道4042连接构成完整循环流道；中冷蓄冷循环中的中冷循环外部流道4061′连接中冷储罐402′、中冷循环风机406′，并与蒸发冷箱404中的中冷循环内部流道4041连接构成完整循环流道。

6.蒸发冷箱蒸发流道4043出口的超临界空气输入预热器302内与末级膨胀机304出口的较高温度尾气交换热量，进一步提高超临界空气温度。预热后的超临界空气经再热器205吸收蓄热工质热量后进入初级膨胀机303做功并驱动发电机305发电，初级膨胀机303出口压缩空气进入末级再热器206内重新加热后进入末级膨胀机304膨胀做功。

7.各级再热器205和206液侧出口的蓄热工质仍有较高温度，通过余热利用装置207进一步吸收蓄热工质热能并输出常温附近的冷能，降温后的蓄热工质返回常温罐202内。

实施例2

图3为本发明一具体实施例的中冷储罐为双罐串联结构的分级蓄冷式超临界压缩空气储能系统示意图；如图3所示，相对实施例1的改进为：至少一中冷储罐为两个中冷储罐时，下中冷储罐4021和上中冷储罐4022串联，下中冷储罐4021内储存从中冷到常温的冷能上中冷储罐4022内储存从深冷到常温的冷能能，下中冷储罐4021和上中冷储罐4022的常温侧通过中冷循环风机406连接起来，其优点在于中冷循环风机406可以常温运行，避免压缩热引起风机出口中冷温度循环工质温度大幅升高而导致的冷能损失。同样地，下中冷储罐4021′和上中冷储罐4022′串联，下中冷储罐4021′内储存从中冷到常温的冷能上中冷储罐4022′内储存从深冷到常温的冷能能，下中冷储罐4021′和上中冷储罐4022′的常温侧通过中冷循环风机406′连接起来，其优点在于中冷循环风机406′可以常温运行，避免压缩热引起风机出口中冷温度循环工质温度大幅升高而导致的冷能损失。其中，

中冷循环风机406和中冷循环风机406′实为同一中冷循环风机，下中冷储罐4021和下中冷储罐4021′实为同一下中冷储罐；上中冷储罐4022和上中冷储罐4022′实为同一上中冷储罐。

实施例3

图4为本发明一具体实施例的低温液体储罐较高压力下的分级蓄冷式超临界压缩空气储能系统示意图；如图4所示，相对实施1的改进为：从液化冷箱冷能回收流道4035回流的低温常压气体返回干燥净化装置102与末级压缩机之间的气路，并非返回初级压缩机101的进口。此时，低温绝热储罐107内储存液态空气的压力并不接近常压，而是远高于常压。

在储能阶段，液化冷箱冷能补偿流道4034内的超临界流体吸收部分冷能降温后经两级低温膨胀机108膨胀至低接近低温绝热储罐107内压力，并与气液分离器内分离的低温气体在混合器109内混合后输入冷能回收流道4035，冷能回收流道4035与末级压缩机103进口连接，与初级压缩机101压缩后的压缩空气混合后输入末级压缩机103压缩为超临界空气。

实施例4

图5为本发明一具体实施例的包含一冷箱的分级蓄冷式超临界压缩空气储能系统示意图。如图5所示，相对实施例1的改进为：液化冷箱和蒸发冷箱是共用同一个冷箱，即仅设置一冷箱407，该冷箱既可作为用于释放冷能的液化冷箱，又可作为用于储存冷能的蒸发冷箱。在储能开始阶段，阀门一g1和阀门三g3开启，阀门二g2和阀门四g4关闭。超临界空气通过阀门二g2进入比例调节装置104；超临界空气通过比例调节装置104分流后大部分进入冷箱的超临界流道4033，后经过阀门三g3进入液体膨胀机105。在释能阶段，阀门一g1和阀门三g3关闭，阀门二g2和阀门四g4开启。液态空气经低温泵301提高压力后经阀门四g4输入液化冷箱的超临界流道4033，超临界流道4033输出的超临界空气通过比例调节装置104经阀门二g2输入预热器302内。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。